软考-嵌入式系统设计师-笔记：计算机系统基础知识

• 二进制、八进制、十进制、十六进制转换；
• 定点二进制转十进制：

100110.101 = 2⁵ 2² 2¹ 2^-1 2^-3 = 38.625

• 定点数十进制转二进制：

175.71875 = 2⁷ 2⁵ 2³ 2² 2¹ 2⁰ 2^-1 2^-3 2^-4 2^-5 = 10101111.10111

• 原码

最高表示符号，0为正，1为负；

• 反码

正数：反码 = 原码；

负数：反码 = (符号位除外)按位取反；

• 补码

正数：补码 = 原码；

负数：补码 = (符号位除外)按位取反 1（末位 1）；

• 移码

取反原码的补码首位(符号位)；

用于表示浮点数中的阶码，码值大，真值大；

IEEE754标准格式：

数值 N = 2^P x M

一位1隐含在单双精度浮点数小数点左侧，其值为 1.??~? x 2^P ，尾数是 ??~? 部分。

奇校验： 增加验证位，使编码中1的数量为奇数；

偶校验： 增加验证位，使编码中1的数量为偶数；

给出原始数据(例如 10110)和多项式(如 G(x) = x⁴ x 1），计算CRC校验码：

2. 根据多项式阶数r（这里r=4)在原始数据后添加r个0作为被除数(1011万)；

3. 多项式除数(这里是 10011）；

4. 进行模2除法，得到余数111(余数不足r则左侧补0，补至r位)；

5. 将余数添加到原始数据中(1011111)，作为结果；

6. 接收方用多项式模2除去收到的结果，余数为0无误；

给出原始数据(例如 计算海明校验码1011)：

信息位和验证位排序：

2^k - 1 ≥ n k ，k验证位数，n数据为位数，k从2开始带入计算。

计算校验码：

使用偶校验：

R信息位所在的数位相关4 D3、D2、D1，即 101 ，根据偶校验 R2 = 0；

R信息位所在位所在数出现2 D3、D2、D0，即 101 ，根据偶校验 R2 = 0；

R信息位所在的数位相关1 D3、D1、D0，即 111 ，根据偶校验 R2 = 1；

因此，根据数位数据得出最终验码：101010101

校验纠错：

偶校验获得的学校码 1010101 来说：

D3、D2、D1、R2 偶校验结果为 0； D3、D2、D0、R1 偶校验结果为 0； D3、D1、D0、R0 偶校验结果为 0； 全为0表示正确。

如果校验码为 1011101 ，则：

D3、D2、D1、R2 偶校验结果为 1； D3、D2、D0、R1 偶校验结果为 0； D3、D1、D0、R0 偶校验结果为 0；

计算结果为100，则位数4（2²）上的数据错了，将该数据取反即可纠错。

运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

• 运算器

  • 算数运算单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU），实现对数据的算术运算和逻辑运算；
  • 累加寄存器（Accumulator，AC），运算结果或源操作数的存放区；
  • 数据缓冲寄存器（Data Register，DR），暂时存放内存的指令或数据；
  • 状态条件寄存器（Program Status Word，PSW），保存指令运行结果的条件码内容，如溢出标志等；

• 控制器

  CPU依据指令周期的不同阶段来区分二进制的指令和数据

  • 指令寄存器（Instruction Register，IR），暂存CPU执行指令；
  • 程序计数器（Program Counter，PC），存放指令执行地址；
  • 地址寄存器（Address Register，AR），保存当前CPU所访问的内存地址；
  • 指令译码器（Instruction Decoder，ID），分析指令操作码；

• 寄存器组

• 内部总线

计算机采用分级存储体系的主要目的是解决存储容量、成本和速度之间的矛盾问题。

cache命中率与CPU读取平均时间：

设CPU读取一次cache时间为1ns，读取一次内存时间为1000ns，90%命中chche，读取一次平均时间 = （0.9 x 1 + 0.1 x 1000）ns

大小端：

大端模式：数据高字节保存在内存低地址中，数据低字节保存在内存高地址中，即反向；

小端模式：数据高字节保存在内存高地址中，数据低字节保存在内存低地址中，即同向；

冯诺依曼结构程序和数据共用存储空间；

哈佛结构程序和数据存放在不同的存储空间中，有独立的地址和数据总线，可以在一个周期中同时获得指令字和操作数；

原理：

比如下面三段式的结构，在未使用流水线的情况下：

使用流水线后：

参数计算：

• 流水线周期

​ 执行时间最长的段的时间；

• 流水线总执行时间 （一个任务时间）

​ 1条指令总执行时间 + ( 总指令条数 - 1 ) x 流水线周期

• 流水线吞吐率 （单位时间内可执行任务数量）

​ 指令条数 / 流水线总执行时间 （通常结果换算成以秒计的数据）

• 流水线加速比

  不使用流水线执行时间 / 使用流水线总执行时间

平均无故障时间 MTTF（Mean Time To Failure） = 1 / 失效率

平均故障修复时间 MTTR（Mean Time To Repair） = 1 / 修复率

平均故障间隔时间 MTBF（Mean Time Between Failure） = MTTF + MTTR （MTBF≈MTTF）

系统可用性 = MTTF / MTBF = MTTF / (MTTF + MTTR)

每个设备可靠性R1、R2、R3……

• 串联系统

​ 一个系统不可靠整个系统就崩溃；

​ 可靠性 R = R1 x R2 x R3 x ……

• 并联系统

​ 所有系统都不可靠整个系统才崩溃；

​ 可靠性 R = 1 - (1-R1) x (1-R2) x (1-R3) x ……

主频和时钟周期；

MIPS 每秒处理的百万计的机器语言指令数；

运算符优先级（从上至下递减）：

1. ()、[]、成员选择等；
2. 单目运算符，如++、–、!、~等；
3. 乘法运算符*、除法运算符/、求余运算符%；
4. 加法运算符+、减法运算符-；
5. 移位运算符<<、>>；
6. 关系运算；
7. 位运算；
8. 逻辑运算；
9. 三目运算；
10. 赋值运算；

OSI/RM七层模型

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